CN112564626A - 多电航空发动机起发电机转速信号提取电路 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种多电航空发动机起发电机转速信号提取的方法及电路,用于多电航空发动机起发电机在起动电机模式和发电机模式下转速信号的提取,该电路以起发电机的三相电压信号作为输入,对三相电压信号进行合成、分压和滤波,作为参考电压信号连接到比较电路,再取各相电压进行分压、滤波和限幅,连接到比较电路,随着电机的旋转,比较电路输出三路方波信号作为发动机的起发电机转速信号。本发明设计精巧、结构简单、转速测量精度高,兼顾了起动电机模式和发电机模式的转速检测,避免传统的磁电式转速传感器的安装,有利于提高航空发动机及控制系统的可靠性和紧凑性。
Description
技术领域
本发明为一种多电航空发动机起发电机转速信号提取的方法及电路,属于航空发动机控制领域,基于该电路可兼顾多电航空发动机起发电机在起动电机模式和发电机模式下转速信号的提取。
背景技术
在航空发动机控制中,发动机转速是一个非常重要的被控量,发动机状态的控制体现在对转速的控制,同时转速也是评价发动机性能的一个重要参数。因此,其测量的准确性及稳定性,直接影响到发动机的控制状态。
航空发动机中一般采用的转速传感器有霍尔传感器、磁电式转速传感器、光电式转速传感器和测速电机传感器。磁电式转速传感器结构简单且精度高,使用了全权限数字发动机控制器(FADEC)的发动机多使用磁电式转速传感器。多电航空发动机起发电机本身就是一个转速传感器,通过对其相电压信号的处理即可获得多电航空发动机转速信号。
专利号CN201310086952.5公开了一种宽范围高精度转速测量电路,采用宽频磁电感应式转速传感器,用于测量小型涡喷发动机的转速,解决了其不能从低速到高速连续测量的问题。专利号CN201510924429.4公开了一种发动机转速测量电路及方法,其通过两个独立转速传感器采集发动机转速信号,通过高、低阈值两种非相似余度调理电路进行调理输出方波信号,通过表决得到最终发动机转速,抗干扰能力强,可靠性高,适用于飞行包线宽,使用环境复杂的航空发动机转速测量系统。
目前尚未有针对多电航空发动机起发电机转速信号提取的相关电路,本发明针对这一领域提出一种设计精巧、结构简单的转速信号提取电路,可实现多电航空发动机起发电机起动电机模式和发电机模式下宽范围转速信号的提取,避免了传统的磁电式转速传感器的安装,有利于提高航空发动机及控制系统的可靠性和紧凑性。
发明内容
发明目的:本发明提供了一种多电航空发动机起发电机转速信号提取的方法及电路,将起发电机三相的信号转换为反映转速的方波信号,采取适当的滤波克服毛刺干扰,独立于起发电机控制器,即使控制器失效也能获得准确的转速信号,避免安装传统的磁电式转速传感器,有利于提高航空发动机及控制系统的可靠性和紧凑性。
技术方案:一种多电航空发动机起发电机转速信号提取的方法及电路,其中包括参考电压合成电路、参考电压分压电路、参考电压滤波电路、相电压分压电路、相电压滤波电路、相电压限幅电路和电压比较电路。
本发明的测速对象多电航空发动机起发电机有两种工作模式,当航空发动机启动时,起发电机处于起动电机模式,起发电机产生起动扭矩带动航空发动机转子。当航空发动机完成启动后,起发电机处于发电机模式,提取航空发动机剩余轴功率产生电能。
本发明以起发电机的三相电压信号作为输入,对三相电压信号进行合成、分压和滤波,作为参考电压信号连接到比较电路,再取三相电压分别进行分压、滤波和限幅,连接到比较电路,随着电机的旋转,比较电路将输出三路相位相差120°的方波信号作为起发电机转速信号。
参考电压指的是起发电机三相绕组中点的电压,该电压测点位于电机内部,难以直接测量,因此需要参考电压合成电路利用三相电压信号模拟出三相绕组中点的电压。合成的参考电压再经过参考电压分压电路和参考电压滤波电路得到参考电压比较信号。
相电压是起发电机的中一相,由于发电机的相电压随转速的增大而增大,故相电压在发电机模式时变化范围很大。因此,相电压信号进行处理时,除了对相电压信号进行分压和滤波,还需要对相电压进行限幅,保证相电压比较信号在比较器输入端的可承受范围内。参考电压分压的比例与相电压分压的比例应该相同,从而保证分压后的参考电压比较信号与相电压比较信号的相对大小关系和原参考电压信号与原相电压信号相对大小相同。
参考电压信号与相电压信号的相对大小实际反映了某相线圈感生电动势在转子旋转时的正负变化。这里需详细考虑起动电机模式和发电机模式两种情况。参考电压与相电压之差等于感生电动势与线圈电流产生压降之和,在起动电机模式下线圈电流方向与感生电动势方向相反,在发电机模式下线圈电流方向与感生电动势方向相同。由于线圈内阻很小,线圈电流产生压降相对感生电动势小得多,所以参考电压信号与相电压信号的相对大小主要由线圈感生电动势在转子旋转时的正负变化所决定。感生电动势的正负变化是由线圈切割旋转磁场时磁场方向反向导致的,转子旋转一周某相线圈切割旋转磁场反向的次数由转子极对数决定,确定起发电机型号后该参数为已知值。因此参考电压信号与相电压信号相对大小的变化频率就能反映起发电机转子转速。
起发电机实际转速可以由如下公式计算得到:
其中n为起发电机实际转速,单位rpm,f为三路方波信号的频率,单位Hz,p为起发电机转子极对数。
通过检测三路相位相差120°方波信号的上升沿和下降沿,可以获得原方波信号频率六倍的倍频方波信号,使用测频法进行测量时,倍频信号可以进一步提高转速测量的精度。
附图说明
图1为本发明的转速信号提取电路示意图
图2为本发明的转速信号提取电路原理图
图3为本发明的倍频合成原理图
图4为本发明的各相比较方波信号与转速倍频方波信号关系图
具体实施方式
以下结合具体实施例进一步说明本发明的技术方案。
图1为本发明的转速信号提取电路示意图,图2是本发明转速信号提取电路原理图,起发电机转速信号提取电路由参考电压合成电路、参考电压分压电路、参考电压滤波电路、相电压分压电路、相电压滤波电路、相电压限幅电路和电压比较电路组成,起发电机三相电压信号经过参考电压合成电路、参考电压分压电路和参考电压滤波电路输出参考电压比较信号,起发电机各路相电压信号经过相电压分压电路、相电压滤波电路和相电压限幅电路输出三路相电压比较信号,参考电压比较信号与三路相电压比较信号经过电压比较电路输出相位相差120°的三路方波信号作为起发电机转速信号。
参考电压合成电路由电阻器R1、电阻器R2、电阻器R3组成,其中,电阻器R1、电阻器R2、电阻器R3一端与起发电机三相电压信号相连,另一端共接形成星型连接。
参考电压分压电路和参考电压滤波电路由电阻器R4和电容器C1组成,其中,电阻器R4作为分压电阻一端与星型连接中点相连,另一端接地,电容器C1作为滤波电容与电阻器R4并联。
相电压分压电路由电阻器R5、电阻器R6、电阻器R7、电阻器R8、电阻器R9和电阻器R10组成,其中,电阻器R5和电阻器R6串联,电阻器R5另一端接起发电机C相,电阻器R6另一端接地,电阻器R7和电阻器R8串联,电阻器R7另一端接起发电机B相,电阻器R8另一端接地,电阻器R9和电阻器R10串联,电阻器R9另一端接起发电机A相,电阻器R10另一端接地。
为保证合成的参考电压与起发电机三相绕组中点电压等效,电阻器R1、电阻器R2和电阻器R3阻值应相等。为保证分压后的参考电压比较信号与相电压比较信号的相对大小关系和原参考电压信号与原相电压信号相对大小相同,参考电压分压的比例与相电压分压的比例应该相同。因此各电阻阻值应满足:
相电压滤波电路由电容器C2、电容器C3和电容器C4组成,其中,电容器C2作为滤波电容与电阻器R6并联,电容器C3作为滤波电容与电阻器R8并联,电容器C4作为滤波电容与电阻器R10并联。
相电压限幅电路由钳位二极管D1、钳位二极管D2、钳位二极管D3、钳位二极管D4、钳位二极管D5和钳位二极管D6组成,其中,钳位二极管D1和钳位二极管D2对C相电压比较信号的输出电压幅值进行了限制,钳位二极管D3和钳位二极管D4对B相电压比较信号的输出电压幅值进行了限制,钳位二极管D5和钳位二极管D6对A相电压比较信号的输出电压幅值进行了限制。钳位二极管D1、D3、D5的阳极接地,阴极与相电压比较信号输出端相连,钳位二极管D2、D4、D6的阴极接+5V电源,阳极与相电压比较信号输出端相连。钳位二极管采用1N60PST直插肖特基二极管,正向导通压降为0.3V,各路相电压比较信号的幅值被限制在-0.3V~5.3V的范围内。
电压比较电路采用的是LM339DR四通道电压比较器,使用其中的三个通道,参考电压比较信号由电阻器R1、电阻器R2、电阻器R3星型连接公共端引出,各相电压比较信号由两串联电阻中点引出,参考电压比较信号和各相电压比较信号作为电压比较电器的输入信号,通过比较参考电压比较信号和相电压比较信号的电压相对大小,比较器输出高电平为5V,低电平为0V的方波信号。
电路中各元件参数如下表所示:
电路元件 | 参数 |
电压比较电路芯片 | LM339DR |
钳位二极管D1、D2、D3、D4、D5、D6 | 1N60PST |
电阻R1、R2、R3 | 3kΩ |
电阻R5、R7、R9 | 1kΩ |
电阻R4、R6、R8、R10 | 100Ω |
电容C1、C2、C3、C4 | 0.1μF |
由于受比较器芯片性能的限制,该实例转速信号提取电路转速测量范围是0~100000rpm,发电机模式下电机相电压信号幅值应在10V~300V,电动机模式下电机驱动信号幅值也应在10V~300V,电压比较器芯片采用直流5V电源供电。
转速信号提取电路有两种测速方案:
方案一,直接测量三路方波信号中任意一路信号的频率计算起发电机转速,测量方波信号频率为f,起发电机转子极对数为p,利用如下公式即可得到起发电机实际转速n:
方案二,利用三路方波信号生成原方波信号六倍频信号,通过测量倍频信号频率计算起发电机转速。在使用测频法时,方案二相比方案一可进一步提高转速测量精度。六倍频信号的合成原理是检测三路相位相差120°方波信号的上升沿和下降沿,如图3所示,本发明提供了一种倍频合成的方法,其由6个D触发器、12个二输出与非门和1个六输入与非门组成。具体电路实现可由3片双D触发器芯片HD74LS74AP,3片4二输入与非门芯片74LS00,1片八输入与非门芯片74HC30D(仅使用其中的六输入)组成。
各路方波信号经过两个D触发器生成两路相差一个时钟周期的方波信号,通过对这两路信号进行异或运算即可鉴别出原方波信号的上升沿和下降沿,三路相位相差120°的方波信号在一个周期内共有3个上升沿和3个下降沿,因此经过倍频处理后,可以生成六倍于原方波频率的方波信号。12个二输出与非门和1个六输入与非门完成逻辑运算如下:
三路方波信号WA、WB、WC与倍频方波信号WOUT关系如图4所示。
Claims (7)
1.一种多电航空发动机起发电机转速信号提取的方法及电路,其特征在于,电路包括参考电压合成电路、参考电压分压电路、参考电压滤波电路、相电压分压电路、相电压滤波电路、相电压限幅电路和电压比较电路,所述的参考电压合成电路由电阻器R1、电阻器R2、电阻器R3组成,其中,电阻器R1、电阻器R2、电阻器R3一端与起发电机三相电压信号相连,另一端共接形成星型连接,所述的参考电压分压电路和参考电压滤波电路由电阻器R4和电容器C1组成,其中,电阻器R4作为分压电阻一端与星型连接中点相连,另一端接地,电容器C1作为滤波电容与电阻器R4并联,所述的相电压分压电路由电阻器R5、电阻器R6、电阻器R7、电阻器R8、电阻器R9和电阻器R10组成,其中,电阻器R5和电阻器R6串联,电阻器R5另一端接起发电机C相,电阻器R6另一端接地,电阻器R7和电阻器R8串联,电阻器R7另一端接起发电机B相,电阻器R8另一端接地,电阻器R9和电阻器R10串联,电阻器R9另一端接起发电机A相,电阻器R10另一端接地,所述的相电压滤波电路由电容器C2、电容器C3和电容器C4组成,其中,电容器C2作为滤波电容与电阻器R6并联,电容器C3作为滤波电容与电阻器R8并联,电容器C4作为滤波电容与电阻器R10并联,所述的相电压限幅电路由钳位二极管D1、钳位二极管D2、钳位二极管D3、钳位二极管D4、钳位二极管D5和钳位二极管D6组成,其中,钳位二极管D1和钳位二极管D2对C相电压比较信号的输出电压幅值进行了限制,钳位二极管D3和钳位二极管D4对B相电压比较信号的输出电压幅值进行了限制,钳位二极管D5和钳位二极管D6对A相电压比较信号的输出电压幅值进行了限制,所述的电压比较电路由3个电压比较器组成,多电航空发动机起发电机转速信号提取电路以起发电机的三相电压信号作为输入,对三相电压信号进行合成、分压和滤波,得到参考电压比较信号,再取各相电压进行分压、滤波和信号限幅得到三路相电压比较信号,参考电压比较信号与三路相电压比较信号通过电压比较电路进行比较,输出相位相差120°的三路方波信号作为发动机的起发电机转速信号。
2.根据权利要求1所述的参考电压合成电路,所述参考电压指的是起发电机三相绕组中点的电压,该电压测点位于电机内部,难以直接测量,因此需要参考电压合成电路利用三相电压信号模拟出三相绕组中点的电压,合成的参考电压再经过参考电压分压电路和参考电压滤波电路得到参考电压比较信号。
3.根据权利要求1所述的相电压限幅电路,所述相电压是起发电机的中一相,由于发电机的相电压随转速的增大而增大,故相电压在发电机模式时变化范围很大,因此,相电压信号进行处理时,除了对相电压信号进行分压和滤波,还需要对相电压进行限幅,保证相电压比较信号在比较器输入端的可承受范围内。
4.根据权利要求1所述的参考电压分压电路和相电压分压电路,所述的参考电压分压的比例与相电压分压的比例应该相同,从而保证分压后的参考电压比较信号与相电压比较信号的相对大小关系和原参考电压信号与原相电压信号相对大小相同。
5.根据权利要求1所述的参考电压比较信号与三路相电压比较信号通过电压比较电路进行比较,其目的是利用参考电压与相电压信号相对大小的变化频率获得反映发动机起发电机转速的方波信号。其原理为参考电压信号与相电压信号的相对大小实际反映了某相线圈感生电动势在转子旋转时的正负变化,感生电动势的正负变化是由线圈切割旋转磁场时磁场方向反向导致的,转子旋转一周某相线圈切割旋转磁场反向的次数由转子极对数决定,确定起发电机型号后转子极对数为已知值,因此通过参考电压信号与相电压信号相对大小的比较就能获得反映起发电机转子转速的方波信号。
7.根据权利要求1所述的相位相差120°的三路方波信号,通过检测三路相位相差120°方波信号的上升沿和下降沿,可以获得原方波信号频率六倍的倍频方波信号,使用测频法进行测量时,倍频信号可以进一步提高转速测量的精度。
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
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PB01 | Publication | ||
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SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
CB03 | Change of inventor or designer information |
Inventor after: Fang Jun Inventor after: Zhong Yi Inventor after: Sun Ruhui Inventor after: Zhang Tianhong Inventor before: Fang Jun Inventor before: Zhong Yi Inventor before: Sun Ruhui |
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CB03 | Change of inventor or designer information | ||
GR01 | Patent grant | ||
GR01 | Patent grant |